（机械工程专业论文）涡轮增压器喷嘴环叶片加工专用设备试制的关键性技术研究.pdf

中文摘要 近年来，我国汽车工业得到了蓬勃发展，它已成为国民经济新的支柱。2 0 1 0 年，我国已经超越美国成为世界第一大汽车产销国，成为新兴的汽车大国。随 着汽车拥有量的大幅提高，汽车带来的环境污染成为了摆在人们面前的难题， 一些国家相继提出了汽车尾气排放标准，我国也提出了自己的汽车尾气排放标 准。涡轮增压技术的发明应用，在降低油耗的同时提高了发动机的功率，并且 降低了汽车尾气中有害气体的成分。因此世界各国，特别是发达国家在涡轮增 压技术研发及制造方面投入了大量的人力物力。 可变喷口涡轮增压器技术是一项新的技术，正得到广泛的应用，发展前景 广阔。喷嘴环叶片是可变喷口涡轮增压器上的最关键零部件，由于这一技术刚 刚出现，目前还没有专用的加工装备。现在喷嘴环叶片加工主要工艺过程是精 铸或精锻毛坯，然后进行机械加工和光精加工。国内一般采用砂轮手工打磨的 方法，这样造成了生产效率低下，废品率高。 本课题根据涡轮增压器喷嘴环叶片的特点和加工要求，进行了喷嘴环叶片 圆柱面磨削和内端面磨削的工艺分析与研究，在对涡轮增压器喷嘴环叶片外圆 磨削和端面磨削运动分析基础上，进行磨床的机械结构分析，确定机床结构配 置形式，完成磨床的机械结构设计；进行涡轮增压器喷嘴环叶片无心磨床的试 制并进行调试。对喷嘴环叶片进行了磨削实验，验证了无心磨削技术在涡轮增 压器喷嘴环叶片外圆和端面加工中的应用，达到了预期的效果，为后续的产品 开发积累了经验，填补了国内在运用无心磨削技术加工涡轮增压器喷嘴环叶片 的空白，提高了我国涡轮增压器喷嘴环叶片制造的技术水平。 关键词：涡轮增压器，喷嘴环叶片，无心磨削，机床设计，调试 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，a u t o m o b i l ei n d u s t r yi no u rc o u n t r yh a sd e v e l o p e dv i g o r o u s l y ，i t h a sb e c o m ean e wm a i n s t a yo fo u rn a t i o n a le c o n o m y o u rc o u n t r yh a sr e p l a c e dt h e u n i t e ds t a t e sa sf i r s ta u t o m o b i l ep r o d u c t i o na n dm a r k e t i n gk i n g d o mo ft h ew o r l di n 2 010 ，h a sb e c o m et h ee m e r g i n ga u t o m o b i l es u p e r p o w e r w i t hai n c r e a s en u m b e ro f p e o p l eo w n e rc 虬i t sb r i n g ss e r i o u se n v i r o n m e n tp o l l u t i o np r o b l e m , s o m ec o u n t r i e s h a v es e tt h es t a n d a r d so ft h ee m i s s i o n s ，a sw e l la so u rc o u n t r yp u t sf o r w a r do u ro w n s c a re m i s s i o n ss t a n d a r d s t h ei n v e n t i o no ft u r b o c h a r g et e c h n o l o g yn o to n l yr e d u c eo i l c o n s u m p t i o n b u ta l s o i m p r o v e t h e e n g i n e sp o w e r ，r e d u c e t h eh a r m f u lg a s c o m p o s i t i o no fa u t o m o b i l ee x h a u s t s om a n yc o u n t r i e se s p e c i a l l yt h ed e v e l o p e d c o u n t r i e sh a si n v e s t e dal o to fm a n p o w e ri nt h et u r b o c h a r g e dt e c h n o l o g yr & da n d m a n u f a c t u r i n g v a r i a b l es p o u tt u r b o c h a r g e rt e c h n o l o g yi san e wt e c h n o l o g y , i tw i l lb ew i d e l y u s e di nt h ef u t u r e t h eb l a d ei st h em o s tc r i t i c a lp a r t so ft h et u r b o c h a r g e r t h i s t e c h n o l o g yi sj u s ta p p e a r e d ，s ot h e r e i sn os p e c i a lp r o c e s s i n ge q u i p m e n tf o ri t s m a n u f a c t u r e t h ep r o c e s s i n go fb l a d ei sp r e c i s i o nc a s t i n ga n dp r e c i s i o nf o r g i n gi s b l a n k , t h e nm e c h a n i c a lp r o c e s s i n ga n dl i g h tf i n i s h i n g g e n e r a l ，d o m e s t i cu s et h e g r i n d i n gw h e e lt om a n u a l l yp o l i s h ，i t sl o wp r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n dh i g hs c r a p r a t e t h i st o p i ca c c o r d i n gt ot u r b o c h a r g e rn o z z l er i n gb l a d e s c h a r a c t e r i s t i c sa n d p r o c e s s i n gr e q u i r e m e n t , w eh a v em a d et h e n o z z l er i n gb l a d ec e n t e r l e s sg r i n d i n g p r o c e s sa n a l y s i sa n dr e s e a r c h ，b a s e do n c e n t e r l e s sg r i n d i n gm o v e m e n ta n a l y s i s ，w eg e t t h eg r i n d e rm e c h a n i c a ls t r u c t u r ea n a l y s i s ，c o n f i r m e dm a c h i n es t r u c t u r ec o n f i g u r a t i o n f o r ma n dc o m p l e t e dt h eg r i n d e rm e c h a n i c a ls t r u c t u r ed e s i g n ；t r i a l m a n u f a c t u r ea n d d e b u gt h eg r i n d e rm a c h i n et o o lo fv a r i a b l eg e o m e t r yt u r b o c h a r g e r sn o z z l el e a f t h e c e n t e r l e s sg r i n d i n ge x p e r i m e n t so fn o z z l er i n gb l a d ei s t ov e r i f yt h ec e n t e r l e s s g r i n d i n gt e c h n o l o g ya p p l i c a t i o n i n t u r b o c h a r g e rn o z z l er i n gb l a d ep r e c i s i o n p r o c e s s i n g ，a n da c h i e v e dt h ee x p e c te f f e c t ，a c c u m u l a t e de x p e r i e n c ef o rt h es u b s e q u e n t p r o d u c td e v e l o p m e n t ，i t sf i ui n t h eb l a n ko fu s ec e n t e r l e s sg r i n d i n gt e c h n o l o g y u p r o c e s s i n gt u r b o c h a r g e rn o z z l er i n go fb l a d e si no u rc o u n t r y ，a n dp r o m o t el e v e lo f t e c h n o l o g yi nt u r b o c h a r g e rn o z z l er i n gb l a d em a n u f a c t u r e k e yw o r d s ：t u r b o c h a r g e r s ，b l a d e ，c e n t e r l e s sg r i n d i n g ，m a c h i n et o o l sd e s i g n ，m a c h i n e c o m m l s s l o m n g i i i 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 近年来，我国汽车工业蓬勃发展，它已成为我国民经济新的支柱。如何解决 汽车发展带来的能源问题、环境污染问题已经成为当今世界最重要的问题之一。 涡轮增压技术的发明应用，在降低油耗的同时提高了发动机的功率，并且降低了 汽车尾气中有害气体的成分。世界各国，特别是发达国家在涡轮增压技术研发及 制造方面投入了大量的人力物力，我国作为一个新兴的汽车大国，在汽车技术方 面还很落后，在这一方面我们还有很长的路要走。 随着汽车尾气排放标准的不断提高，涡轮增压技术得到越来越广泛的应用。 西方发达国家已经提出了欧、欧v 的汽车尾气排放标准，我国也提出的自己的 汽车尾气排放标准，汽车尾气排放标准的提高将极大的促进涡轮增压器的发展。 根据相关资料，今年，全球汽车产量已达到80 0 0 万辆，加上维修市场的需求， 涡轮增压器的需求量将远超这个数目，而全球的生产能力严重不足。伴随着世界 各国进一步加大环境政策的实施，未来涡轮增压器的需求量将会更大。 我国的汽车工业虽然起步较晚，但是已经成长为一个新兴的汽车大国，2 0 0 9 年已经超越美国成为世界第一大汽车产销国，2 0 1 1 年，我国的汽车产销量已经 超过l8 4 0 万辆，继续领跑全球汽车行业。按照我国重型发动机1 0 0 、中型车 8 0 、轻型车6 0 、微型车2 5 、轿车3 0 的比例来配套增压器，加上维修市 场的需求，我国涡轮增压器的需求量将超过1 2 0 0 万台，按照3 0 - 4 0 的年增 长速度，在未来几年，我国的市场需求将大增。 1 1 涡轮增压器喷嘴环叶片结构特点分析 目前，涡轮增压技术已经广泛的应用到汽车发动机上，有效的减少了发动机 尾气中有害气体的排放，增加了发动机的输出功率，降低油耗，节约资源，有效 的改善了发动机的瞬态响应性，解决了发动机在加速和低速时冒黑烟的问题。涡 轮增压技术运用到汽车发动机上能够补偿发动机因高原空气稀薄产生的功率损 失，使汽车更好的适应高原环境。喷嘴环叶片是涡轮增压器中的一个关键零件， 武汉理工大学硕士学位论文 图1 1 ，其质量的好坏直接影响到涡轮增压器的工作性能。叶片通过组合形成进 气通道，通过改变叶片的位置来改变进气道的面积，由此来控制进气量大小和涡 轮的转速，实现涡轮增压器与发动机的最佳匹配。当前，涡轮增压器喷嘴环叶片 结构可分为缩放形叶片和渐缩形叶片，渐缩形叶片目前应用的最多，根据渐缩形 叶片的形状可分为气动叶形、对称叶形、薄板叶形和岛状叶形等，如图1 2 。 图1 1 涡轮增压器喷嘴环叶片 ( a ) 对称型叶片( b ) 气动型叶片 图1 2 不同外形结构的增压器叶片 喷嘴环叶片机械性能为：硬度1 4 5 h v ，在常温( 2 0 4 c ) 时抗拉强度 6 5 0 m p a ，屈服强度 7 2 6 0 m p a ，延伸率 2 8 ；在高温下( 8 0 0 c ) 抗拉强度 3 6 0 m p a ，屈服强度1 4 5 m p a ，延伸率 t 4 1 。叶片的材料为镍铬铌基耐热合金， 采用金属注射成型的工艺方法制造。 2 武汉理工火学硕士学位论文 l 、拨叉2 、安装盘3 、叶片4 、连接孔5 、轴 图1 3 涡轮增压器喷嘴环组件 1 2 涡轮增压器喷嘴环叶片工作原理 内燃机所产生的功是由燃料在气缸内燃烧产生的热能转化而来，输出功率 是由单位时间内气缸燃烧的燃料产生的热能和热工转化效率决定的。发动机因环 境条件和气缸容积等因素的影响，气缸中的燃油因吸入空气不足而不能充分的燃 烧，通过涡轮增压器将空气经过压缩之后再送入气缸，这样可以增加气缸内空气 的容量，使燃油能够充分燃烧，产生更多的热能，提高了发动机的效率，有效的 减少了尾气中有害气体的含量。 涡轮增压器通过与发动机的排气系统相连，利用发动机气缸排出的废气带动 涡轮旋转，涡轮通过轴与连接在吸气管上的压缩机相连，涡轮带动压缩机将空气 武汉理工大学硕士学位论文 压缩。流过叶片的空气越多，空气压缩机的转速越快，发动机气缸中吸入的空气 将越多。 喷嘴环叶片是涡轮增压器增压系统的核心部件，它主要起两个方面的作用， 一是改变气流的方向，让气流从一个合适的角度流入到叶轮中，二是让气流加速。 叶片安装在喷嘴环的安装盘上与拨叉连接在一起，图1 3 ，通过控制拨叉来控制 叶片的转动，进而控制进气道的大小，改变涡轮气流通道截面，从而改善发动机 与增压器的匹配性能，图1 4 。在发动机低速和低排气量的情况下通过减小气流 通道的截面，可以提高进气压力。与传统涡轮增压器相比，带喷嘴环叶片的涡轮 增压器改善了发动机在低速时的加速能力和响应时间。这种涡轮增压器结构紧 凑、可靠，涡轮通流截面的变化平稳柔顺、流动阻力损失小、涡轮效率高、制造 成本低、便于推广使用。 图1 4 可变喷口涡轮增压器工作原理 1 3 国内外涡轮增压器喷嘴环叶片磨削技术发展现状 喷嘴环叶片是涡轮增压器的关键零件，其结构较为复杂，结构尺寸较小，精 度要求高，其加工质量和几何精度直接关系到涡轮增压器的工作性能。由于涡轮 增压器喷嘴环叶片工作在高温( 9 0 0 c 1 0 5 0 c ) 高压( 0 3 m p a ) 下，承受高温高压 燃气的冲击，因此叶片需要具有良好的高温性能、耐磨性能，这对叶片的材料提 出了较高的要求，目前，国内外制造叶片的材料大都是高温合金和耐热合金，但 这些材料容易氧化，机械加工比较困难，铸造性能不好，精密铸造成本高。 目前，国内外涡轮增压器喷嘴环叶片加工主要采用的工艺过程是精铸或精锻 4 武汉理工大学硕士学位论文 毛坯，然后进行机械加工和光精加工。机械加工一般是在铣床上用成形铣刀加工 或仿形加工及其他的特种加工技术，在光精加工之前一般要进行磨削加工，国内 一般采用砂轮手工打磨的方法，这种方法存在很多弊端，例如工人的工作环境较 差、劳动负荷大，加工效率和加工精度较低，稳定性和一致性较差。 1 4 本课题研究目的意义及主要研究内容 1 4 1 课题研究的目的和意义 叶片是涡轮增压器、航空发动机以及汽轮机等设备上的关键零部件，它的结 构一般比较复杂，加工精度要求高，由于在这些设备上的叶片工作的环境比较恶 劣，所以对叶片的材料也有特殊的要求，这样就增加了叶片的制造成本，因此如 何更加经济的生产这些叶片成为摆在工程师面前的难题。 涡轮增压器喷嘴环叶片通过改变发动机进气通道的横截面积，使得发动机在 工作时能得到合适的空气量，让发动机始终工作在理想状态下，使得发动机的输 出功率可以提高3 0 到1 0 0 ，油耗降低5 到1 0 ，有害气体的排放量可减少 1 0 以上，尾气排放达到欧标准以上，极大的提高了汽车的使用经济性和环保 性。 目前，国内涡轮增压器喷嘴环叶片生产企业迫切需求一种经济性能好，加工 精度高，生产效率高，操作方便的磨床设备，在保证精度的前提下降低叶片的加 工成本。本课题根据涡轮增压器喷嘴环叶片的特点和加工要求，进行涡轮增压器 喷嘴环叶片磨削工艺的分析和研究，进行涡轮增压器喷嘴环叶片专用磨床的理论 分析、机械结构分析，确定机床的布置方案，完成磨床的机械结构设计；进行涡 轮增压器喷嘴环叶片专用磨床的试制、调试和磨削实验等。 通过对涡轮增压器喷嘴环叶片加工专用磨床的关键技术研究，最终研制出成 本低、生产效率高、磨削精度符合要求的涡轮增压器喷嘴环叶片专用磨床，填补 国内涡轮增压器喷嘴环叶片加工专用磨床的空白，提高我国涡轮增压器喷嘴环叶 片制造的技术水平。 武汉理- t 大学硕士学位论文 1 4 2 课题研究的主要内容 本课题根据涡轮增压器喷嘴环叶片的特点和加工要求，将进行以下几个方面 的研究： 1 涡轮增压器喷嘴环叶片磨削工艺分析及磨削方式确定。 根据涡轮增压器喷嘴环叶片的结构、材料、力n - r _ 要求及无心磨削的特点，对 涡轮增压器喷嘴环叶片进行磨削工艺分析，根据现有经验和相关资料，选择正确 的无心磨削形式。 2 涡轮增压器喷嘴环叶片磨削运动分析及磨床的结构设计。 涡轮增压器喷嘴环叶片的外形尺寸小、结构形状复杂、加工精度要求高，装 夹及输送困难，需要对叶片的磨削运动进行分析，确定叶片的磨削方案并依次对 磨床的结构进行设计。 3 涡轮增压器喷嘴环叶片加工专用磨床样机试制、调试及磨削实验。 对涡轮增压器喷嘴环叶片加工专用磨床样机进行试制并调试，通过调试验证 机床结构设计是否合理，将机床调试到加工状态，然后进行涡轮增压器喷嘴环叶 片的磨削实验，检验机床的加工精度，通过对磨削实验结果对磨床进行改进。 6 武汉理t 大学硕i ：学位论文 第二章无心磨削技术 2 1 无心磨削的基本概念 2 1 1 无心磨削原理 无心磨削是相对定心磨削而言的，传统的定心磨削在磨削时需要确定的中 心，工件绕着固定的中心旋转进行磨削，而无心磨削加工时不需要确定的中心， 工件旋转的中心不固定。同定心磨削一样，无心磨削也是一种精密加工方法，它 比传统的定心磨削更为高效、精度更高。无心磨削可分为外圆无心磨削和支撑式 无心磨削。这两种磨削根据支撑和磨削表面的不同可分为自身定位磨削和非自身 定位磨削。 无心磨削根据磨具不同可分为砂带无心磨和砂轮无心磨，如图2 - 1 。无心磨 的主要结构有砂轮或砂带、导轮、托板等。砂轮( 砂带) 的作用是磨削工件，又 称磨削轮，它和工件的接触点叫磨削点。导轮的作用是引导和控制工件的运动， 它和工件的接触点叫做控制点。托板的作用是支撑工件，它和工件的接触点叫做 支撑点，导轮和托板共同对工件进行定位，接触点叫做定位点。 无心磨削时，磨削轮和导轮的转向相同，工件的转向和磨削轮转向相反，如 图2 1 ( b ) 。 b 托板c 导轮g 砂带w 工件 c a ) 砂带无心磨削 7 武汉理工大学硕士学位论文 l 一磨削轮( 砂轮)2 _ 工件3 一导轮4 - 支撑板 ( b ) 砂轮无心磨削 图2 1 无心磨削 2 1 2 无心磨削的特点 与定心磨削相比无心磨削具有以下特点：无心磨削无需对工件进行装夹定位 及夹紧，无心磨削工件的中心是不固定的，这是无心磨削独具的特点，如图2 2 。 无心磨削和定心磨削在理论和实践上都有本质的区别，无心磨削的工件是靠自身 定位的，依靠加工表面实现定位，工件加工前后的圆度误差会反映为定位误差， 将影响工件的加工精度。工件通过磨削轮、导轮及托板导向进行磨削，工件的运 动是靠三者共同控制，工件运动的稳定性主要与机床的传动链、工件形状、导轮 和托板的表面状态以及材料等状况有关。 无心磨削工序不需要中心孔，工件可以连续加工，和普通磨削相比准备时间 短，容易实现自动化，因此无心磨削与传统磨削相比具有经济高效的特点，通用 性比较强，加工范围也很广，适合进行小批量生产，能简单快速的调整便可实现 对不同工件进行加工。无心外圆磨床既可进行大余量的强力磨削也可进行较高精 度和表面质量的磨削。无心磨削时，由于工件不需要装夹，因此避免了由此产生 的变形和装夹误差，加工精度较高。 8 武汉理工大学硕：l ：学位论文 无心磨削 图2 - 2 无心磨削与定心磨削 2 1 3 无心磨削的方式 定心磨削 无心磨削方法主要有贯穿磨削( 通磨) 、切入磨削和定程磨削三种。 ( 1 ) 贯穿磨削 贯穿磨削又称纵向进给磨削法，是指工件在磨削的过程中能够整个的通过磨 削区域，如图2 3 。贯穿磨削通常用于不带台阶的零件的磨削，也可用于等直径 或者磨削直径大于非磨削直径的轴类零件的加工，如活塞环、活塞销、衬套等。 根据无心磨削的特点，工件磨削区的位置关系一旦被设置好，在整个磨削过程中 基本保持不变。在进行贯穿磨削时，引导工件移动的导槽必须要保证和磨削轮的 轴线平行，否则零件将会磨成不正确的形状。贯穿磨削时工件可以在加工过程中 装卸，因此贯穿磨削生产效率高。在贯穿磨削中，导轮和工件的轴线需要调成一 个夹角，导轮在旋转时对工件施加一个轴向力，使工件自动实现轴向进给，工件 通磨的进给速度和磨削精度由导轮的转速和倾角决定。 磨短轴磨长轴 图2 3 贯穿磨削 ( 2 ) 切入磨削 在无心磨削中，工件相对砂轮径向进给的磨削方式叫做切入磨削，切入磨削 9 武汉理工大学硕士学位论文 又叫横向进给磨削。当有台阶、凸端、或其他阶梯形状的外圆工件，需要切人磨 削的方式才能加工。切入磨削可以通过工件向磨削轮进给或者磨削轮向工件的进 给。当进给到达预定位置时，需要停留一段时间以便对工件进行磨光，磨削结束 后，工件通过推杆推出或者其他的机构将工件取出，通过这种方式加工工件的砂 轮宽度应大于工件待加工部位的长度。与贯穿磨削相比，切人磨的导轮和工件轴 线夹角很小，通常在o 。0 5 。之间，因为切入磨工件不需轴向进给，为了保证 工件与挡块保持接触，防止工件轴向窜动，通常将导轮倾斜小的角度，导轮与工 件之间也可以没有倾角。切入磨削中工件端面使用定位器进行定位，如图2 4 。 图2 _ 4 切入磨削 ( 3 ) 定程磨削 定程磨削也属于贯穿磨削的一种。工件在磨削时不会像贯穿磨削那样整个工 件通过磨削区域，工件只轴向运动一定的距离，通过挡块来控制工件轴向的移动 距离，如图2 5 。定程磨削一般用来磨削带锥度的零件。 图2 5 定程磨削 1 0 武汉理工大学硕上学位论文 2 2 国内外无心磨削的发展概况 磨削是一种先进的精密加工方法，它的出现要追溯到远古石器时代，那时， 人们获取食物所需要的各种猎具，刀具等，都是用各种贝壳、石头和兽骨等通过 磨削加工出来的，这些都是他们重要的狩猎工具。随后青铜器出现以后，磨削技 术得到进一步的发展，可以生产兵器和铜镜，这时的磨削技术已经相当先进了， 磨出的铜镜已经达到镜面的要求了。铁器时代之后，磨削工艺得到了普遍广泛的 应用。 无心磨削属于磨削的特殊类型，其原理最早出现在1 9 世纪中期，那时主要 应用在加工滚针上。在1 9 世纪6 0 年代，英国人第一次发明了最原始的无心磨床。 半个世纪之后，美国的一家公司研制成功了真正意义上的无心磨床，从此正式进 入了无心磨床的发展时代。 2 2 1 无心磨床在我国的发展 我国无心磨床的发展起步较晚，在解放前，我国的磨料和磨床工业基本上是 一片空白，1 9 4 4 年，上海的亚中机床厂也就是如今的上海第三机床厂，制造出 了我国历史上的第一台外圆磨床。随着新中国的成立，我国的机械加工工业得到 了很大的发展，磨床也得到的迅速的发展，先后建立了磨床、磨具以及磨料的专 业研究所和制造厂，培养了一大批磨床工业的技术队伍。 我国的磨床工业发展经历了大约三个阶段。最初是全模仿阶段，这一时期从 新中国成立到1 9 6 0 年。1 9 5 4 年时候，无锡机床厂为我国仿制了第一台无心磨床， 在此之后又仿制了多个型号的无心磨床，为我国的磨床工业发展奠定了基础。第 二阶段就开始了自行设计，这一时期主要从2 0 世纪6 0 年代初到8 0 年代中期， 这一时期我国的一些机床厂自行设计生产了初级系列的无心磨床和一批专用无 心磨床，这标志着我国的磨床自行设计已经走向了成熟，特别是改革开放之后， 我国的磨床工业得到了巨大的发展。第三阶段就是现代化的设计阶段，这一时期 从1 9 8 5 年开始至今。我国已经发展了一批高精度、高效率、高速和机电一体化 的无心磨床。并在设计中运用了现代化的计算机工具，例如优化设计方法、有限 元的设计方法、二维和三维的计算机辅助设计和模块化设计等设计方法已经大量 的运用到磨床的设计中。 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2 无心磨削的发展趋势 随着科学技术的发展，无心磨削将朝着高精度、自动化、高速、宽砂轮和闭 环控制系统方向发展，无心磨床将朝着高性能、多功能的方向发展。随着无心磨 削技术的发展，磨削已成为机械加工中主要的加工方法之一。虽然我国工业发展 较晚，但近些年来，国内的一些磨床制造厂家正在积极的研究国外的一些先进的 无心磨床技术，不断缩小我国无心磨床技术水平同国外的差距。 2 3 无心磨削成圆理论 无心磨削成圆是一个复杂的过程，在无心磨削中，定位误差和原始误差是无 心磨削中两个重要的参数，它们是无心磨削成圆理论的基础。定位误差x ：工 件定位时，工件中心的位移在磨削方向( 磨削点处磨削轮的直径方向) 上的分量 就是定位误差。合成误差f ：定位误差与磨削点处的原始误差的矢量和称为合成 误差。在无心磨削中，工件是自身定位的。根据无心磨削的这一特点，工件的原 始误差可以反应为工件加工时的定位误差，因此，工件的圆度误差首先受到工件 本身原始形状的影响，工件的圆度误差与工件的原始形状误差成正相关。工件的 原始圆度误差为a 0 ，通过支撑反应为定位误差a x 。加工时，工件的原始误差 和定位误差的合成误差反应为加工误差，加工误差又可以看成是一种新的原始误 差。因此工件在旋转第一圈时的加工误差l 是原始圆度误差a o 和定位误差 x 的合成误差作用的结果，工件在第二圈的加工误差为2 受第一圈的加工误差 l 和其对应的定位误差的合成误差的影响，依次类推，当工件旋转n 转时，加 工误差为a n 。 则有，若： a l l a ( n 1 ) a 2 a 1 a 0 ( 2 - 2 ) 此时工件的加工误差越来越大，工件的圆度误差有扩大的趋势，因此在这种 情况下，工件将越磨越不圆。 1 2 武汉理工大学硕：卜学位论文 因此，工件要磨圆，就必须使工件的加工误差的变化趋势越来越小。由于工 件的表面可以看成是高低起伏的封闭曲线，图2 6 ，在进行磨削时应增加对工件 表面凸起部分的磨削，减少对工件表面凹陷部分的磨削，这就称为“凸磨凹不磨， 因此，在进行无心磨削时，在磨削到工件的凸起部分时，应使工件靠近磨削轮， 在磨削工件的凹陷部分时，应使工件远离磨削轮。这样能够使工件的圆度误差越 来越小，工件被越磨越圆。 2 3 1 无心磨削的支撑形式 图2 - 6 工件表面形状 根据无心磨削中支撑和磨削表面是否为同一个表面可分为自身定位和非自 身定位。由于它们的的磨削表面和支撑表面是不同的，因此它们的成圆情况也是 不一样的。 自身定位无心磨削就是工件的定位支撑面为工件的磨削表面( 加工面) ，在 自身定位中，工件的加工表面的原始误差通过支持反映成为定位误差，在加工时 反应为加工误差，加工误差也可以看成是新的原始误差。 在无心磨削理论研究初期，人们仅用定位误差来研究成圆过程，忽略了工件 的原始误差，导致得出的结论和实际有很大差距。现在人们用合成误差来研究自 身定位问题，其结果和实际基本吻合。 非自身定位就是指定位表面与工件的加工表面不是同一个表面，因此和自身 定位相比，工件原始误差不反映为定位误差，定位中的原始误差与合成误差中的 原始误差并不是同一个概念。 武汉理工大学硕士学位论文 自身定位非自身定位 图2 - 7 无心磨中不同的定位方式 无心磨削一定要满足一定的条件才能磨出合格的产品，首先，磨削轮、导轮、 工件之间一定要满足一定的运动关系。保证工件能够正常的被磨削，工件和磨削 轮之间一定要有相对滑动，导轮对工件的运动起控制的作用，一般情况下导轮选 用摩擦系数较大的材料( 有些导轮也用软木、钢、铸铁或其他材料) ，支撑板的 倾斜有利于工件靠向导轮。其次，要保证工件能够平稳的转动，导轮和工件之间 要成线接触。因此，磨削轮和导轮之间的同轴度一定要保证好。 2 3 2 无心磨削的成圆理论 在无心磨削中，工件的成圆有一定的定律，国内外许多专家和学者从不同的 角度进行了研究，迄今为止已经建立起很多理论，总体来说可以归纳为三种成圆 理论：几何成圆理论、动态成圆理论和静态成圆理论。 几何成圆理论只考虑工件成圆过程中的几何关系，即工件与磨削轮、导轮以 及托板之间的几何关系对工件成圆过程的影响。对于影响工件成圆的其他因素， 如加工系统的振动、变形等不进行考虑。 静态成圆理论比几何成圆理论多引入了工艺系统的静刚度因素，因此，静成 圆理论比几何成圆理论发展更成熟。 动态成圆理论相对几何成圆理论和静态成圆理论是发展比较完善的无心磨 削成圆理论，其不仅考虑几何因素还考虑了系统的刚度、磨损刚度、磨削刚度， 以及工件转速等可变、不可变的和线性及非线性的参数。 几何成圆是上述成圆理论中最基础的理论，下面重点介绍几何成圆理论。 在研究几何成圆理论之前必须要先搞清磨削轮、导轮、托板以及要加工工件 的几何关系。由图2 8 的关系可知： 1 4 武汉理工大学硕f j 学位论文 又有： _ 6 k 鲥妒彳c 图2 8 几何成圆关系 r + 妒+ d = 丌2 ( 2 3 ) 9 + 1 f ，+ 叩+ 口= 万( 2 - 4 ) 由图上还可得到： j i l = ( 凡+ 比) s i n e ( 2 5 ) s i i l p ：l( 2 6 ) 足凡 在一次磨削中，砂轮的半径、工件半径凡和导轮半径可认为是常数，因此： j i i = h ( r l 、i f ，)，7 = 7 7 ( 厅，妒) 妒= 妒( r 7 、i f ，)或i f ，= l f ，( 厅，驴) ( 2 7 ) 上式中咖和 是可以直接测量得到的；i f ，和叩通过计算间接得到。无心磨削 几何成圆理论主要取决于参数，7 和吵，它们对工件的成圆有很大影响。妒和h 是 两个重要的工艺参数。 在几何成圆理论中定位误差关系到工件能否加工成圆的重要因素，定位误差 是指工件在定位时，中心在径向平面内相对理想位置在磨削方向上的投影，如图 1 5 2 - 6 ，工件表面高低起伏，凸凹不平，是一个封闭、单调、周期曲线。先研究工 件上的一个波峰产生的误差，然后再扩展到整个工作表面。设工件外表面有一个 小的波峰，当波峰与导轮接触时，工件的中心将沿托板平面移动，因此产生定位 误差。 2 4 工件中心高 2 4 1 中心高对精度的影响 在无心磨削中，工件中心高是影响工件加工精度的最主要的因素，它的大小 和工件的圆度误差的大小有直接的关系，与工件可否稳定的进行磨削也与其有很 大的关系。除工件的中心高以外，导轮的倾角和修整器的倾角等都对工件的加工 精度有影响。 在无心磨削成圆理论中，工件要想磨圆就必须使工件的中心高于磨削轮中心 与导轮中心的连线，因为，当工件中心与摩削轮和导轮的中心在同一直线上，托 板支承面为水平时，摩削轮、导轮、工件三者的接触点所在的直线就是工件的直 径，在磨削时，当导轮遇到工件表面上的凸起部分时，工件将被推向磨削轮，造 成凸起部分的对侧被磨成凹坑，保证了工件各处直径相等。当工件凸出部分旋转 到与磨削轮接触时，对侧的凹部也正好旋转到与导轮接触，此时导轮无法将工件 推向磨削轮，于是工件的凸出部分始终无法磨去。磨削后，工件各处直径虽然相 等，但它并非标准的圆，而是一个棱圆，也被称为假圆，如图2 - 9 。这时磨削轮 和导轮的表面对工件来说就相当于两个平行的平面，在两个平行平面之间磨削工 件，原来的棱角总是被保留下来。 卜 | i 7、惘i 渺肖 。心 l 一 图2 - 9 工件中心在砂轮和导轮的连线上 1 6 武汉理工大学硕：l 学位论文 工件、磨削轮、导轮三者的中心不在同一直线上时，工件凸部将逐渐减小， 凹面也会慢慢变浅，这样工件最终将被逐渐磨圆。这时，工件就像是在磨削轮和 导轮所构成的v 型槽内旋转，由于v 型槽的表面是由磨削平面构成的，所以当 工件上的棱边接触到磨削平面时，棱角就会被磨去，工件就会逐渐被磨圆。如图 2 一l o 。 图2 1 0 工件中心高于砂轮和导轮的连线 在无心磨削中，工件的中心高是一个很重要的参数，它直接关系到工件的圆 度误差的大小，而且对工件的稳定磨削也有一定的影响。若工件的中心高过大， 磨削轮对工件的磨削力在竖直方向上的分力将会减小，导致托板和导轮的分力减 小，使工件在竖直方向发生跳动以及在磨削时发生振动，工件与托板和导轮之间 无法保持连续稳定地接触，最终将导致工件无法正常磨削或工件加工精度降低。 工件的中心高过小，磨削轮对工件的磨削力在竖直方向上的分力将会增大，托板 对工件的摩擦力增大，影响工件的旋转，工件精度和圆度均会受到影响。经验表 明，工件的圆度误差随着工件中心高增大而减小，随着中心高的减小而增大。因 此，工件的加工精度直接受到工件中心高的影响。 在无心磨削中工件成圆过程的影响因素有很多，在稳定的磨削状态下，无心 磨削成圆效果主要取决于静态因素，只有在磨削状态不稳定时，成圆效果将会受 动态因素的影响，一般情况下，不稳定状态极少发生。 2 4 2 工件中心高的确定 前面已经提到，工件的中心高是影响零件加工精度的一个重要参数，它的大 小直接影响到工件的圆度误差，因此准确的确定无心磨削中工件的中心高显得非 常重要。通过查阅资料，可以得到无心磨削工件中心高的计算公式。 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 1 磨削轮2 工件3 托板4 导轮 图2 1 l 工件的中心与磨削轮和导轮中心的关系 如图2 1 1 所示，工件与磨削轮以及导轮的接触点的切线的夹角为6 ，工件的中 心离导轮与磨削轮的连线高度为h ，工件中心、磨削轮中心、导轮中心组成的三 角形的三个角分别为：卢、口，。磨削轮、导轮、工件的直径分别为：4 、 d 、d 。工件中心、磨削轮中心和导轮中心三者的中心距分别为：a 、b 、c 。 由图中的关系可得： 6 = 口i + a f 卢= 1 8 0 。- ( a 七+ a f ) = 1 8 0 。- 6 口：d k + d6 ：旦型 22 根据余弦定理可得： c ：、a 2 + b 2 - 2 a b c o s f l ：l a 2 + b 2 + 2 a b c o s 6 ( 2 8 ) 在三角形中由高与三边的关系得： 日= 吾瓜i 旺硕习 其中占= ( 口+ 6 + c ) 将s 与c 代入到高的关系式中得： 一- ：= 型兰竺丝一 ( 2 - 9 ) = 7 0 = = 2 号2 = = = = = = = = = 。y ， 口2 + 6 2 + 2 a b c o s 6 将口= 竽，6 = 竿代入上式中得： 1 8 武汉理工大学硕：七= 学位论文 ( 2 1 0 ) 由上式可知工件的中心高日与磨削轮直径4 、工件直径d 、导轮直径口 及三者接触点切线的夹角6 之间的关系式，因此只要q 、d 、日、6 已知，将 其代入到公式中变可得出工件的中心高。但是在实际生产中，这些公式用起 来太麻烦，因为磨削轮、导轮、工件三者接触点的夹角艿并不是一个确定的值， 在加工过程中这个值随时在发生着变化，因此通常人们将它划定为一个范围，所 以不同的6 值将导致工件的中心高h 也是变化的，它的变化也在一个范围内，因 此在实际生产中将工件的中心高限定在一定的范围内以控制工件的圆度。由于上 面公式比较复杂使用起来很麻烦，并且缺乏准确性，不利于实际工程应用，这也 是无心磨削难以得到广泛应用的制约因素。根据实践经验，来设定工件的中心高， 实践证明，这种方法是可行的。当艿；6 7 。时，工件的中心高最合适，由于6 在 磨削过程中是变化的，而且难以测量，因此需要算出工件的中心高，便与实际加 工中进行调整，由于理论计算并不方便，所以在实际生产中根据实际经验来调整 无心磨削中工件的中心高，一般工件中心比磨削轮中心高值取为工件直径的 l 2 1 3 ，并根据磨削的实际情况适当调整。 1 9 武汉理t 大学硕士学位论文 第三章涡轮增压器喷嘴环叶片无心磨削工艺分析与 设计 喷嘴环叶片是涡轮增压器上的核心部件，其主要起导流的作用，其精度要求 高。叶片工作在高温高压的环境下、结构外形复杂、材料特殊、尺寸小，且加工 精度要求高。传统的加工方式很难加工，往往费时费力，废品率高。通过人工打 磨的方式对工人的技术要求高，并且工人工作环境恶劣，劳动强度大。因此，改 进喷嘴环叶片的加工工艺，研制出涡轮增压器喷嘴环叶片无心磨床，提高涡轮增 压器喷嘴环叶片的加工效率和加工精度，降低生产成本。 目前，涡轮增压器喷嘴环叶片主要采用金属精密注射成型的工艺方法制造， 由于叶片的精度要求较高，精密铸造的精度难以达到要求，因此需要对叶片进行 磨削加工，现在一般是靠工人手工打磨来完成，要加工出高精度的涡轮增压器喷 嘴环叶片对工人的技能有相当高的要求，不仅费时、费力，而且存在一定的安全 隐患。由于叶片是采用金属注射成型而成的，因此工件毛坯精度较低，加工余量 较大，严重制约了叶片加工效率。 涡轮增压器喷嘴环叶片要加工的部位为叶片内端面和叶柄的外圆面，如图 3 1 。叶片的内端面为断续平面，加工后表面粗糙度要达到0 8 ，叶柄为圆柱面， 加工后表面粗糙度要达到o 8 ，圆度要达到o 0 0 7 m m ，并且其与叶片内端面的垂 直度要达到0 0 0 1 3 m m ，尺寸精度要达到4 2 0 0 0 7 m m 。根据工件的外形特点， 工件结构尺寸小、外形不规则，传统的磨削方式很难加工。为了达到叶片的加工 精度要求，提高生产效率，降低加工成本，实现批量生产。本课题采用无心磨削 的方式对叶片内端面及圆柱面进行加工。在进行无心磨床结构设计之前，需要对 叶片的磨削工艺进行分析。 涡轮增压器喷嘴环叶片磨削工艺分析包括叶片的外圆和内端面的磨削工艺 分析、叶片的输送及装夹方式等。 武汉理t 大学硕l 学位论文 1 0 0 1 3a l i n 一 o i 参6 3 ：0 0 5i o - 1 4 n n 今 否 r 0 2 m o x - 参 _ l0 0 1 3 a o 们 0 i o 0 0 7 i 复 o _ 一 2 ：t ：0 7 r o 2m o x j 一 3 2 0 3 x 4 5 ， 3 5 勰 - - - - i 。芦 图3 1 涡轮增压器喷嘴环叶片加工要求 涡轮增压器喷嘴环叶片的内端面与圆柱面有垂直度要求，圆柱面采用的是无 心磨削，采用的是自定位，内端面加工时需要以圆柱面来定位，为防止在磨削端 面时，圆柱面被破坏，所以采用先磨内端面再磨圆柱面的方式加工叶片。 3 1 叶片外圆磨削工艺分析 涡轮增压器喷嘴环叶片的外圆面是回转体部件，根据叶片的结构形状及叶片 尺寸，由于无心磨削时工件不需要装夹，所以叶片的外圆面采用外圆无心磨削的 方式进行加工。由于叶片的形状不规则，加工的叶柄部分小于叶片头部，因此叶 片外圆面无法采用贯穿磨削的方式进行加工，只能采用切入磨削的方式进行加 工。切入磨削时要防止叶片在旋转时内端面与砂轮端面接触，因此在叶片内端面 与砂轮端面之间要留一定的空隙，由于外圆磨砂轮边缘部分带有圆角，造成叶片 外圆面靠近内端面的一部分表面无法被磨削，即外圆面无法清根。加工时采用自 2 l 武汉理工大学硕士学位论文 动进刀，当砂轮进给到预定位置时停顿一段时间对叶片外圆面进行抛光，然后砂 轮退出，下一个工件转到加工位置，砂轮重新进刀，对叶片外圆进行磨削。 根据外圆无心磨削的原理，加工外圆面时，叶片外圆面的加工是以自定位的 方式定位的，以导轮的外圆为加工基准。 图3 2 叶片圆柱面磨削工艺 在进行加工时，叶片靠在导轮上，叶片的中心高于导轮和磨削轮的中心，叶 片由托板支撑，托板静止的，其主要对叶片起支撑和导向作用，由于磨削轮的磨 削力作用，叶片圆柱面始终与托板接触，这样可以保证叶片轴线始终与导轮外圆 母线及磨削轮外圆母线平行。叶片的旋转由导轮和磨削轮决定的，导轮和磨削轮 的旋转方向相同，均为顺时针旋转，因此，叶片为逆时针旋转。 3 2 叶片端面磨削工艺分析 叶片端面磨削除了要加工叶片的内端面，还要对圆柱面进行加工。对与平面 磨削有周边磨削和端面磨削两种磨削方式，这里磨削叶片内端面只能采用端面磨 削的方式。叶片端面的磨削不同于外圆面的磨削，端面磨削时，叶片的头部受砂 轮竖直向下的磨削力的作用以及叶片自身重力的作用，导致叶片会发生倾斜，若 叶片在加工中发生倾斜，则无法保证其端面与叶柄圆柱面的垂直度要求，加工端 面时，叶片需要稳定的绕中心轴旋转，因此需要对叶片进行夹紧，防止其在加工 过程中发生偏转或者跳动，为了不改变叶片的输送方式，用压轮对叶片进行压紧， 相对于外圆面的